4. МЕХАНИЗМЫ ДЕФОРМАЦИИ ГОРНЫХ ПОРОД

...Нужно осознавать, что кусок железа является значительно более сложной структурой, чем, например, наручные часы. Теперь представим себе, что, не открывая часы, их подвергли испытанию на сжатие. Далее попытались сделать некоторые математические выводы из полученной, несомненно, очень интересной кривой напряжение-деформация. И, на­ конец, растворили часы в кислоте, чтобы определить их химический состав. Хотя при этом можно использовать самые точные эксперимен­ тальные установки и проявить высшую степень знания математики, я сомневаюсь, можно ли, следуя этим путем, получить сколько-нибудь значимую информацию о том, как часы работают... Значительно более перспективный путь - разобрать часы на части, чтобы посмотреть, как они устроены...

Е. Орован, 1938 г.

Горные породы являются агрегатами кристаллов или зерен (за исключением вулканических стекол). Деформации в горных породах протекают на разных струк­ турных уровнях. Структуры, наблюдаемые в отдельных кристаллах (зернах) горных пород, можно называть внутрикристаллическими (внутризерновыми) структурами. В большинстве случаев деформация определяется не только и не столько структурообразованием внутри отдельного зерна, сколько взаимодействием зерен в агрегатах.

4.1. Внутрикристаллическая деформация

Пластическая деформация монокристалла с сохранением кристаллического состо­ яния в условиях относительно небольших температур и давлений может осуществлять­ ся тремя главными способами [Вернон, 1980; Николя, 1992] (рис. 4.1): (1) трансляци­ онным (дислокационным) скольжением, при котором некоторый слой кристаллической решетки смещается по отношению к другому слою на расстояние, кратное параметрам

б'

плоскости

двойникования

Рис. 4.1. Основные способы деформации монокристал­ лов: а - трансляционное скольжение (сдвиг вдоль крис­ таллической плоскости), б - механическое двойникование, в - образование полос излома.

88 Глава 4

4.1.1. Дефекты в кристаллах

Каждый кристалл содержит определенное количество внутренних дефектов (на­ рушений кристаллической структуры), точечных и линейных [Вернон, 1980; Николя, 1992; Passchier, Trouw, 1996 и др.]. Точечные дефекты обусловлены наличием «лиш­ них» интерстициальных атомов или свободных позиций на месте отсутствующих атомов (вакансий) в структуре кристаллической решетки. В твердых веществах с ионными связями при сохранении электронейтральности решетки наиболее обычны дефекты Шотке и Френкеля (рис. 4.4). Дефекты Шотке характеризуются наличием равного количества анионных и катионных вакансий. Образование дефекта Френкеля происходит при преодолении катионом энергетического барьера и перемещении его из нормальной позиции, которая остается вакантной, в интерстиции решетки.

Дислокации представляют собой линейные дефекты кристаллической решетки. Дислокация характеризуется вектором Бюргеса (Ъ\ который определяет величину

Рис. 4.5. Вектор Бюргеса (Ь) определяет величину смещения кристалли­

ческой решетки, обусловленного наличием дислокации. В ненарушенном кристалле (а, внизу) замкнутый контур 1-10, проведенный вокруг некото­

рого объема, содержит одинаковое количество связей на противополож­ ных сторонах. Если провести такой контур вокруг участка решетки (а, вверху), осложненного дислокацией, т.е. «незавершенной» плоскостью решетки, выяснится, что количество векторов трансляции решетки от ато­ ма к атому будет различным. В данном случае на нижней стороне таких векторов будет три (3,4 и 5), на верхней - четыре (8, 9,10 и Ъ). Вектор Ь и

есть вектор Бюргеса, который определяет направление плоскости сколь­ жения (горизонтальное в плоскости нашего рисунка) и величину смеще­ ния решетки. Несложно проделать аналогичный опыт (б), обведя контур вокруг двух дислокаций, и убедиться, что вектор Бюргеса будет опреде­ ляться уже двумя межатомными расстояниями (начать можно от черного «атома»). На рис. в показано определение вектора Бюргеса для винтовой

дислокации, см. рис. 4.6.

этот контур будет замкнут. В нарушенном дислокацией кристалле вектор, который нужно провести для замыкания контура, и есть вектор Бюргеса.

Если локальное направление самой дислокации опреде­ лить вектором /, то из его пространствен­ ных соотношений с вектором Бюргеса можно выделить три типа дислокаций (рис. 4.6) [Verhoogen et al., 1970]. Если b перпендикулярен t, то такая дислокация называется краевой и соответствуетобрыву кристаллографичес­ кой полуплоскости,

искажения структуры около которого максимальны. Если b u t параллельны, то дис­ локация называется винтовой - параллельные слои атомов связаны таким образом, что образуется изогнутая поверхность, закручивающаяся вокруг линии дислокации. В случае, если b u t ориентированы под некоторым углом, то дислокацию называют смешанной, или комплексной. Она представляет собой комбинацию краевой и винто­ вой дислокаций.

Дислокации присутствуют практически во всех природных кристаллах, образуясь во время роста кристаллов из раствора или расплава за счет ошибок упаковки крис­ таллической решетки, под влиянием концентрации напряжений в микротрещинках и включениях, при пластических деформациях (см. ниже) за счет ранее существовав­ ших дислокаций [Вернон, 1980; Добржинецкая, 1989].

Дефекты кристаллов и прочность. Зная силы сцепления, связывающие атомы в кристалле, можно определить теоретическую прочность материала путем строгого расчета. Про­ чность, определенная экспериментально, называется технической. Оказалось, что техничес­ кая прочность меньше теоретической в десятки и сотни раз. В 1920 г. академик А.Ф. Иоффе провел следующий опыт. После измерения прочности, которая оказалась равной нескольким десяткам МПа, кристалл каменной соли был погружен в горячую воду. Растворение по­ верхностного слоя некоторой толщины привело к увеличению технической прочности до 2000 МПа, которая в этом опыте оказалась всего в два раза меньше теоретического значе­ ния. Было показано, что основной причиной снижения теоретической прочности было зна­ чительное количество механических дефектов на поверхности кристалла, «уничтоженных» при растворении поверхностного слоя перед вторым опытом. Таким образом, бездефектность кристаллов увеличивает их прочность до значений, близких к теоретическим, что и было по­ казано экспериментально. Очевидно, что не только грубые, макроскопические механические дефекты влияют на прочность, но и мельчайшие нарушения кристаллической структуры - то­ чечные дефекты и дислокации._______________________________________________________

Дислокации могут быть выявлены с помощью косвенных методов декорирования и травления. При декорировании на поверхность полированного препарата напыляют тонкие частички подходящего вещества, которые осаждаются вдоль линейных дисло­ каций. Метод травления заключается в обработке поверхности препарата химически­ ми реагентами, после чего в местах выхода дислокаций образуются углубления (ямки травления). В последние годы дефекты кристаллической решетки доступны для пря­ мого наблюдения методами электронной микроскопии [Schaub et al., 2003 и др.].

Дефекты кристаллов, как точечные, так и линейные, являются естественными не­ однородностями, определяющими течение процессов внутризерновых деформаций и их особенности.

Упругие деформации в кристаллах протекают за счет небольших изменений меж­ атомных расстояний, которые исчезают после снятия нагрузки (см. рис. 4.2, левая часть). Изменение положения атомов в структуре кристаллической решетки приводит

кбольшим остаточным пластическим деформациям с изменением морфологии крис­ таллов. Такие внутрикристаллические деформации осуществляются перемещением дефектов кристаллической решетки. В кристаллах с точечными дефектами кристал­ лическая решетка при деформации перестраивается таким образом, что равномерно распространенные дефекты (вакансии и/или интерстициальные атомы) перераспре­ деляются в кристаллической решетке, с уменьшением количества дефектов стремясь

кболее плотной упаковке атомов. Скорость перемещения дефектов Френкеля в ме­ таллах достигает 1 км/ч, Шотке - до 10 км/ч [Финкель, 1989]. Активное перемещение точечных дефектов осуществляется при высоких температурах, которые сообщают атомам дополнительную энергию, необходимую для преодоления энергетического барьера (см. разд. 4.2). Перемещение дислокаций при деформации называется дисло­ кационным скольжением.

4.1.2. Дислокационное скольжение

Дислокационное скольжение обусловлено перемещением дислокаций в кристалле (см. рис. 4.2). Для образования единичной дислокации требуется очень небольшое напряжение. Деформация, имеющая макроскопическое выражение, осуществляется за счет совместного движения по многим дислокациям.

Дислокации имеют определенную ориентировку по отношению к кристалличес­ кой решетке и могут двигаться только в определенных кристаллографических направ­ лениях - плоскостях скольжения, образуя в совокупности с направлением скольжения так называемые системы скольжения. Одна плоскость может обладать несколькими системами скольжения разных направлений.

Количество активных систем скольжения определяется структурой кристалли­ ческой решетки минералов, а также ориентировкой и величиной напряжений, прило­ женных к кристаллу, величиной критического напряжения сдвига для каждой из воз­ можных систем. Для того чтобы произошло перемещение вдоль данной возможной плоскости скольжения, в направлении скольжения должно действовать напряжение сдвига определенной (критической) величины, которая существенно зависит от РТусловий и других факторов.

Для металлов, большинство из которых обладают высокосимметричными крис­ таллическими решетками, характерно большое количество систем скольжения, и практически при любой ориентировке напряжений некоторые из зерен окажутся ориентированы подходящим образом. В отличие от металлов, в кристаллических структурах которых преобладают простые (кубические) кристаллические решетки с металлическим типом связей, в кристаллах горных пород структура дислокаций ус­ ложняется в результате понижения симметрии кристаллических решеток и общего их усложнения, а также разнообразия связей атомов [Вернон, 1980]. Низкосимметричные кристаллы моноклинной и триклинной сингоний, к которым относится большинство породообразующих силикатов, обладают только одной системой относительно легко­ го скольжения [Verhoogen et al., 1970]. Однако при повышении температур задейство­ ванными могут оказаться системы скольжения, неактивные при низких температурах. Подробная сводка низко- и высокотемпературных систем скольжения породообразу­ ющих минералов приведена в работе [Николя, 1992, с. 34].

Таким образом, активность определенной системы скольжения определяется строе­ нием кристаллической решетки, температурой и ориентировкой напряжений в кристал­ ле по отношению к ориентировке его решетки [Вернон, 1980; Добржинецкая, 1989].

Для осуществления однородной и непрерывной деформации каждое зерно должно обладать пятью степенями свободы, т.е. пятью системами скольжения (так называемый критерий фон Мизеса). В противном случае связность породы при деформации будет нарушена. Среди минералов критерию фон Мизеса удовлетворяют только кальцит и кварц [Вернон, 1980]. Большинство породообразующих минералов имеет меньше пяти систем скольжения, поэтому наряду с дислокационным скольжением кристаллы деформируются другими механизмами, в том числе двойникованием и образованием полос излома (см. рис. 4.1), обеспечивающими дополнительные степени свободы.

При деформации различные активные системы дислокаций блокируют друг дру­ га, и перемещение дислокаций становится затрудненным. Кроме того, движению дислокаций при низкой температуре могут также мешать другие препятствия (при­ месные атомы, включения, границы зерен). Перенасыщение кристалла дислокация­ ми, их «путаница», с одной стороны, подавляет возникновение новых дислокаций, с другой - тормозит развитие и продвижение уже существующих. В результате крис­ талл с множественными дислокационными дефектами становится более прочным, т.е. для продолжения деформации нужно увеличить напряжение. Такой эффект носит название деформационное упрочнение.

При увеличении напряжений некоторые новообразованные дислокации стано­ вятся способными «переползать» через препятствия, сдерживающие их скольжение. Процессы, уменьшающие плотность дислокаций и их блокирующее взаимодействие (и, соответственно, увеличивающие скорость дислокационного скольжения), называ­ ются возвратом. В частности, возврату способствует увеличение температуры и как следствие - увеличение подвижности дислокаций. Внутри единичного кристалла ста­ дии упрочнения (скопления дислокаций) и разупрочнения (возврата) можно рассмат­ ривать как элементы процессов внутрикристаллических структурных перестроек.

При высокой температуре противоположные процессы упрочнения и возврата стре­ мятся к динамическому равновесию и приводят к дислокационной ползучести - явлению,

92

при которомдополнительное увеличение напряжений для продолжения деформа­ ции не требуется.

Приобретенные в процессе де­ формации дефекты кристаллической решетки увеличивают общую внут­ реннюю энергию кристалла. Лишен­ ный дефектов кристалл будет обладать минимальной внутренней энергией, увеличение которой при деформа­ ции обусловлено, во-первых, измене­ нием расстояний между атомами и, во-вторых, появлением дислокаций. Показано, что изменение внутренней энергии пропорционально плотности дислокаций (например, для зернистых агрегатов металлов при интенсивной пластической деформации плотность дислокаций изменяется от 107-108 до 10п-1012 линий/см2). При образовании деформационных ламелей в кварце плотность дислокаций составляет 1010 и 1011 линий/см2 при низкотемператур­ ном и высокотемпературном упрочне­ нии, соответственно [Вернон, 1980]. Таким образом, появление и рост дис­ локаций, вызванный внешними напря­

жениями, увеличивает внутреннюю энергию. В процессе деформации эта внутренняя энергия снимается за счет механизмов, способных уменьшить плотность дислокаций (например, за счет миграции вакансий в участки скопления дислокаций).

При деформации, осуществляющейся при ведущей роли дислокационного сколь­ жения, процессы упорядочения и разупорядочения дислокаций протекают совместно. Одним из механизмов, снижающих внутреннюю энергию, является их миграция и упорядочение в определенных зонах, которые характеризуются повышенной плотнос­ тью дислокаций. При этом части кристаллов между зонами оказываются практически свободны от дислокаций: скопление дислокаций в отдельных зонах с формированием субзерен является энергетически более выгодным. Ориентация границ субзерен будет зависеть от ориентации систем скольжения дислокаций, которые в них накоплены.

Таким образом, формирование стенок дислокаций и субзерен является одним из процессов возврата, снижающих плотность дислокаций в некоторых областях (суб­ зернах) за счет их миграции в участки скоплений. Процесс формирования субзерен и стенок дислокации новой субзерновой структуры можно называть фрагментацией (рис. 4.7), дальнейшие процессы деформации могут привести к окончательному обо­ соблению зерен.

протекает при очень высокой температуре, близкой к температуре плавления, при направленном диффузионном переносе атомов через кристаллическую решетку, ко­ торый выступает в качестве основного деформационного механизма. Ползучесть Набарро-Херинга определяется объемной диффузией атомов через кристаллическую решетку, когда происходит перераспределение интерстициальных атомов и вакансий между нагруженными и ненагруженными фрагментами кристалла (рис. 4.13). При диффузии по границам зерен протекает процесс, названный ползучестью Кобле.

Главными механизмами диффузии являются движение вакансий и (или) интерсти­ циальных атомов (катионов). Диффузия в твердой среде осуществляется посредством периодического перескакивания атомов из одной позиции в кристаллической структуре

вдругую. Благодаря действию межатомных сил атомы в кристаллической структуре «привязаны» к узлам решетки. Потенциальная энергия каждого атома минимальна. Если кинетическая энергия атома превышает энергетический барьер, препятствующий его уходу из окрестности данного узла решетки, то он может покинуть свое положение и произвольно перемещаться в кристаллической решетке. Преодолению энергетическо­ го барьера способствует увеличение температуры, при котором колебания атомов ста­ новятся настолько значительными, что они могут покидать свое место и перемещаться

вновую позицию. При отсутствии градиентов давлений, температуры и концентраций (атомов или вакансий) эти перемещения беспо­ рядочны и случайны. Неоднородное распреде­ ление напряжений при деформации зернового агрегата определяет градиенты давления, обус­ ловливающие направленный перенос атомов в решетке (см. рис. 4.13).

Рис. 4.13. Диффузионная ползучесть Набарро-Херинга: на­ правленный диффузионный перенос атомов и вакансий в деформируемом кристалле. В отсутствие напряжений интер­ стициальные атомы и вакансии статистически равномерно распределены в кристаллической решетке. При сжатии крис­ талла концентрация вакансий уменьшается на гранях сжатия и увеличивается на гранях растяжения. Перетекание в про­ тивоположных направлениях атомов и вакансий постепенно изменяет форму кристалла.